7. Рекомендуемая литература

1. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника / Е.П. Угрюмов – М.: 2001,-524с.

2. Новожилов О.П. Основы цифровой техники / О.П. Новожилов – М.: Высшая школа, 2005, – 430 с.

3. Миловзоров О.В.. Электроника/ О.В. Миловзоров И.Г., Панков И.Г. М.: Высшая школа, 2006,–287 с.

4. Королев Г.В. Электронные устройства автоматики / Г.В. Королев – М.: Высшая школа, 1991,-585 с.

5. Изъюрова Г.И. Расчет электронных схем. Примеры и задачи / Г.И. Изъюрова, Г.В. Королев М.: Высшая школа, 1987.-335 с.

6. Ногин В.А. Аналоговые электронные устройства. М.: радио и связь, 1992.-200 с.

7. Евреинов Э.В. Цифровая и вычислительная техника. М.: Радио и связь, 1991.- 464 с.

8. Калабеков Э.Д. Цифровые схемы и микропроцессороные устройства. М. Высшая школа, 2004, - 360 с.

9. ГОСТЫ

ГОСТ 2.104-68. ЕСКД. Основные надписи.

ГОСТ 2.105-95. ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

ГОСТ 2.106-96. ЕСКД. Текстовые документы (спецификации, различные ведомости и т.д.).

ГОСТ 2.109-73. ЕСКД. Основные требования к чертежам.

ГОСТ 2.113-75. ЕСКД. Групповые и базовые конструкторские документы.

ГОСТ 2.123-93. ЕСКД. Комплектность конструкторских документов на печатные платы при автоматизированном проектировании.

ГОСТ 2.301-68. ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.304-81. ЕСКД. Шрифты чертежные.

ГОСТ 2.417-91. ЕСКД. Платы печатные. Правила выполнения чертежей.

ГОСТ 2.701-84. ЕСКД. Схемы. Виды и типы. Общие требования к выполнению.

ГОСТ 2.702-75. ЕСКД. Правила выполнения электрических схем.

ГОСТ 2.708-81. ЕСКД. Правила выполнения электрических схем цифровой вычислительной техники.

ГОСТ 2.709-72. ЕСКД. Система обозначения цепей в электрических схемах.

ГОСТ 2.710-81. ЕСКД. Обозначения буквенно-цифровые в электрических схемах.

ГОСТ 2.721-74. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Обозначения общего применения.

ГОСТ 2.728-74. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Резисторы. Конденсаторы.

ГОСТ 2.743-91. ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники.

Приложение 1

1.Расчет двухтактного усилителя мощности

Задание. Рассчитать бестрансформаторный усилитель мощности (рис. 1), работающий в режиме класса АВ, из условия получения мощности Р_н=0,1 Вт в нагрузке R_н=400 Ом. Допустимое значение коэффициента нелинейных искажений 5 %. Диапазон рабочих частот от 100 Гц до 20 кГц. Диапазон температуры окружающей среды в пределах 25 –50°С.

Пример расчета.

1. Определяем максимальную мощность рассеяния на коллекторе транзистора одного плеча усилителя

Р_{к max} = 2Р_н/π = 0,2Р_н = 20 мВт.

2. Находим максимальный коллекторный ток транзистора одного плеча

3. Определяем напряжение источника питания из формулы I_{к max}=0,5Е_к/R_н,

Е_к = 20 В.

4. Находим граничную частоту усиления предполагаемого типа транзистора из условия f > (2 ...4)fв(1+h_21э), принимая fа > 20. Неравенство выполняется, если fа > 480 кГц.

5. Учитывая полученные значения Р_{к max}, I_{к max} а также условие U_км = 0,5 Е_к < <U_кдоп, по справочнику выбираем транзисторы, составляющие р-n-р и n-р-n-пару и обеспечивающие относительную симметрию плеч каскада. Наиболее подходящими для данных условий типами транзисторов являются МП39 (р-n-р) и МП37 (т-р-т).

6. Построив на графике семейства выходных характеристик транзисторов МП37 или МП39 (рис. 2) динамическую нагрузочную прямую, отсекающую на оси абсцисс 0,5 Е_к а на оси ординат I_{к max}, определяем значения U_ост и I_кm, соответствующие границе нелинейной и линейной частей выходных характеристик: U_ост = 0,6 В, I_кm = 20 мА.

7. Находим реальную мощность в нагрузке, соответствующую площади треугольника ABC на рис. 2:

Р_н = 0,5(0,5Е_к – U_ост)I_кm = 94 мВ

8. Определяем мощность, отбираемую каскадом от источника питания:

Р₀ = 2-0.5 Е_кI_кср = Е_кI_{к m}/π ≈ 127 мВт.

9. Находим коэффициент полезного действия каскада η = P_н/P₀ = 94/127 = 75%.

10. Используя входную характеристику транзистора МП37 (или МП39), определим ток I_{б m} и напряжение U_{бэ m}, соответствующие максимальной амплитуде тока I_{к m} ≈ I_{б m} =20 мА: I_{б m} =1,2 мА, U_{бэ m} =0,8 В.

11. По входной характеристике транзистора МП37 (или МП39), проведя прямую линию через нуль в точку I_{б max} под углом α к оси абсцисс, определяем усредненное входное сопротивление R_{вх ср} транзистора, обусловленное нелинейностью входной характеристики 1/tgα: R_{вх ср} = 250 Ом.

12. Находим глубину обратной связи при максимальной амплитуде входного сигнала U_{вх m}

.

13. Определяем входное сопротивление плеча каскада

R_{вх ос} = FR_{вх ср} = 2.8 кОм.

14. Находим входную мощность каскада

Р_вх = 0,5U_бmI_бm = 0.5(U_бэm + I_эmR_н)I_бm = 5.8 мВ.

15. Коэффициент усиления по мощности

16. Определяем сопротивление резистора R:

.

17. Строим сквозную динамическую характеристику одного плеча i_к=f(u_вх). Используя построенную сквозную динамическую характеристику, определяем коэффициент нелинейных искажений по третьей гармонике К_г3 = I_к3/I_к1 = 0,015=1,5%.

18. Учитывая нелинейные искажения по второй гармонике за счет асимметрии схемы, найдем коэффициент, нелинейных искажений К_г=1,5К_г3 = 2,25%.

Убеждаемся, что полученное значение К_г меньше заданного К_{г доп}=5%.

19. Определяем емкость конденсатора С_р из формулы

.

При R_r < 2,4 кОм выходное сопротивление эмиттерного повторителя, определяемое из формулы

.

на порядок меньше заданного сопротивления нагрузки R_н = 400 Ом. Поэтому, пренебрегая влиянием R_{выx п} на величину С_р, будем иметь

С_р = 4,2 мкФ.

Выбираем номинал по ГОСТу в сторону больших значений С_р= 4,7 мкФ

Листинг программы

END.

Приложение 2

РАСЧЕТ НЕЛИНЕЙНЫХ ЦЕПЕЙ НА ПОСТОЯННОМ ТОКЕ

1. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАСЧЕТА

   1. Указания позволяют : овладеть методикой расчета нелинейных электрических цепей на постоянном токе на примере транзисторного усилителя.

   2. При выполнении расчета используется компьютер IBM с процессором 286 и выше.

   3. Изучите модели основных полупроводниковых приборов — полупроводникового диода и биполярного транзистора.

Модель полупроводникового диода

На основании анализа физических закономерностей работы идеального диода вольт-амперная характеристика (ВАХ) может быть представлена уравнениями

, (1.1)

(1.2)

где I₀ — обратный ток p—n-перехода,

_Т —тепловой потенциал (при комнатной температуре _Т=0,025 В),

m=12 — коэффициент, учитывающий влияние рекомбинации носителей в p—n-переходе,

k — постоянная Больцмана, 1,3810^–38 Дж/К,

Т — абсолютная температура,

q — заряд электрона.

Значение I₀=10^­–410^–2 А для германиевых приборов и на несколько порядков меньше для кремниевых вычисляются по формуле

. (1.3)

Модель биполярного транзистора

Одной из наиболее распространенных статических моделей является модель Эберса-Молла. Она дает связь напряжений и токов эмиттерного и коллекторного переходов.

(1.4)

(1.5)

В нее входят семь исходных параметров: обратные токи коллекторного I_к0 и эмиттерного I_э0 переходов, прямой _N и инверсный _I коэффициенты передачи тока эмиттера, температурный потенциал _Т и напряжение V_к и V_э.

Существует ряд возможностей упрощения модели. Прежде всего отметим, что у современных диффузионных и планарных транзисторов _I_N1. Это позволяет записать уравнение Эберса-Молла в следующем виде

(1.6)

(1.7)

В схеме с общей базой заданной величиной удобно считать ток эмиттера, а не напряжение на нем. Тогда выражая член в верхнем уравнении (6) через другие параметры и подставляя этот член в нижнее уравнение, получаем простое выражение для семейства выходных характеристик

(1.8)

Аналогичным образом, разрешая верхнее уравнение относительно V_э, получаем выражение для семейства входных характеристик

(1.9)

В активном режиме V_к0, V_э0 и V_к=3_Т выражение (1.8) и (1.9) принимают вид

(1.10)

(1.11)

В схеме с общим эмиттером удобно выразить I_к и V_Б через ток базы

(1.12)

(1.13)

где

(1.14)

Из уравнения Эберса-Молла можно найти напряжение V_кэн биполярного транзистора в области насыщения, т.е. при прямо смещенных эмиттерном и коллекторном переходах.

При _NI_Б(34)I_к I_к0

(1.15)

4. Повторите методы решения нелинейных уравнений

Для выполнения задания необходимо изучить материал, изложенный в /1/.

Методические указания

Нелинейные уравнения легко приводятся к виду

F(x)=0. (1.16)

Расчет корней (или одного корня ) сводится к установлению интервала [a,b] существования корня, в пределах которого F(x) меняет знак один раз. Для этого применим метод проб, при котором задаются рядом значений x и определяют знаки функции F(x). Если между какими-то значениями x=a и x=b F(x) получается с разными знаками, то полагают, что интервал существования корня найден. Далее сужением [a,b] добиваются уточнения корня с заданной степенью точности.

При методе простых итераций (16) приводится к виду (17)

x_n+1=f(x_n). (1.17)

Взяв нулевое приближение x=x₀, получим x₁=f(x₀), x₂=f(x₁), т.е. итерационный процесс описывается уравнением (17). Итерационный процесс сходится, если выполняется условие

f(x)1 (1.18)

Скорость сходимости оказывается тем выше, чем сильнее выполняется это неравенство.

Для электронных целей с резко нелинейными приборами (диодами, транзисторами) условие (1.18) часто не соблюдается (в этом случае x — напряжение или ток). Это наряду с необходимостью предварительной оценки условия (1.18) ограничивает применение данного метода.

5. Рассмотрим конкретный пример. Рассчитать нелинейную электронную цепь на постоянном токе рис. 1.1, а.

Расчет нелинейных цепей сводится к определению положения рабочих точек активных приборов. Так для простейшей цепи (рис. 1.1, а), к которой могут быть сведены более сложные цепи, рабочая точка определяется из решения системы уравнений

I=f(V), (1.19)

I=(E–V)/R. (1.20)

Первое из которых — нелинейное уравнение вольт-амперной характеристики нелинейного элемента (НЭ), второе — уравнение нагрузочной прямой резистора R. Аналитического решения система уравнений (1.19) не имеет. Однако, решение (1.19) возможно (наряду с приближенными графическими методами) численными методами, описанными в разделе 2.

Рассмотрим расчет типовых нелинейных цепей на биполярном транзисторе, показанных на рис. 1.1. Схема на рис. 1.1, а сводится к схеме рис. 1.1, б, ток эмиттера I_э, который определяется из решения уравнений

(1.21)

(1.22)

где

(1.23)

(1.24)

(1.25)

(1.26)

Температурная зависимость параметров определяется следующими уравнениями

(1.27)

(1.28)

(1.29)

_T(20C)=0,025 В, I_э0(20C)=10^–11 А.

Уравнение (1.22) решается методом подекадного приближения относительно тока I_э с помощью программы, составленной на языке ФОРТРАН-1V.Порядок вычисления

1. Получить исходные данные (взять из табл. 1.1).

2. В соответствии с инструкцией по работе на ЭВМ включить компьютер и вызвать программу ACU1.EXE.

3. В ответ на запрос компьютера ввести исходные данные.

4. После нажатия клавиши ENTER записать результаты вычисления I_э.

Таблица 1.1

№ варианта	ЕК, В	R1, кОм	R2, кОм	RЭ, кОм	N	I
1	10	20	10	3	0,95	0,19
2	10	30	15	3	0,95	0,19
3	10	20	10	3,5	0,95	0,19
4	12	20	10	3,8	0,95	0,19
5	12	20	10	3,8	0,95	0,19
6	12	20	10	4,0	0,98	0,15
7	15	30	15	4,0	0,98	0,15
8	15	30	15	3,5	0,98	0,15
9	15	20	10	2,5	0,98	0,15
10	15	20	10	2,5	0,98	0,15

Контрольные вопросы:

1. Модели полупроводникового диода и биполярного транзистора, используемые при расчетах нелинейных электрических цепей.

2. Методы приближенных решений нелинейных уравнений.

3. Влияние сопротивлений на режим усиления по постоянному току.

4. Влияние температуры на токи эмиттерного p-n перехода в различных режимах работы транзистора.

Приложение 3

Проектирование устройства для измерения ускорения.

Возможности МЭМС-технологии (технология микроэлектромеханических систем) были сформулированы еще в 1959 году. Но для превращения МЭМС (или как их называют в Европе, устройств микросистемной технологии - MST) из любопытных лабораторных "игрушек" в реальные изделия, пользующиеся спросом на рынке, потребовалось 30 лет. Однако и в конце 80-х еще не было вполне ясно не только как делать такие системы, но и к какому классу изделий их отнести, а возможные инвесторы не всегда могли правильно расшифровать аббревиатуру "МЭМС". Только в конце 90-х годов началось освоение промышленного производства МЭМС, и сейчас МЭМС-технология быстро развивается. Помимо уже достаточно хорошо известных акселерометров для систем управления воздушными мешками и разнообразных датчиков, многие фирмы сосредотачивают усилия на разработке и производстве МЭМС-устройств для телекоммуникационных систем и медицинских нужд. И если микросхемы - мозг электронных систем, то МЭМС - их глаза и руки. И МЭМС наращивают мускулатуру.

Акселерометры представляют собой датчики линейного ускорения и в этом качестве широко используются для измерения углов наклона тел, сил инерции, ударных нагрузок и вибрации. Они находят широкое применение на транспорте, в медицине, в промышленных системах измерения и управления, в инерциальных системах навигации. Промышленность изготавливает много разновидностей акселерометров, имеющих различные принципы действия, диапазоны измерения ускорений, массу, габариты и цены.

В данной работе будет рассмотрено устройство датчика акселерометра, выполнен расчет чувствительного элемента и разработана принципиальная схема датчика. Также приведется описание акселерометров, производимых зарубежными фирмами.